13

Липиды и клеточные мембраны

Липиды

В эту очень большую группу биогенных веществ входят компоненты клеток, извлекае-мые из них неполярными растворителями. Полный анализ всех составляющих таких экстрактов дает очень сложную картину. Во всяком случае вещества с преобладанием липофильных фрагментов, содержащиеся в клетках растений и животных, можно разделить на четыре основных группы:

1. Жирные кислоты

2. Глицеринсодержащие липиды

• Моно-, ди- и триацилглицерины

• Простые эфиры глицерина

• Фосфоглицериды

3. Липиды, в составе которых нет глицерина

• Сфинголипиды

• Алифатические спирты и воска

• Терпены

• Стероиды

4. Липиды, связанные с веществами других классов – липопротеины, липополи-сахариды и др.

Нейтральные триглицериды, известные как жировые вещества, малополярны. Они гидрофобны и их главное предназначение – это обеспечение энергетических потреб-ностей клеток. Молекулы многих других липидов включают полярные фрагменты, при-дающие им свойства поверхностноактивных веществ. Эти амфифильные молекулы (греч. amphi– оба,phile– сродство, любовь), имеющие гидрофильные и липофильные фрагменты, входят в состав клеточных мембран.

Эфиры жирных кислот и глицерина

Трехатомный спирт глицерин может быть частично или полностью этерифицирован монокарбоновыми кислотами, которые чаще всего называют жирными кислотами. Из нейтральных моно-, ди- и триацилглицеринов более всего известны триацилглицерины, входящие в состав жиров. Моноацилглицерины – это пищевые поверхностноактивные вещества. Их производят для введения в состав многих пищевых продуктов, хлеб с добавкой моноацилглицеринов не черствеет в течение многих дней. Очень важно, что эти вещества являются также хорошими антисептиками. Как и многие другие ПАВ они повреждают мембраны болезнетворных микроорганизмов, разрушают ансамбль белков в оболочках вирусов. Особенно активен монолаурат глицерина.

В небольших количествах глицерин и жирные кислоты содержатся в клетках в сво-бодном состоянии, но основная их часть связана с другими молекулами. Глицерин обычно находится в виде эфира с фосфорной кислотой, а жирные кислоты, если отре-шиться от жиров, чаще всего находятся в виде тиоэфиров с коферментом А (СоА-S-СОR) или в виде различных амидов. Входящие в состав жиров карбоновые кислоты состоят из четного числа атомов углерода в неразветвленной ациклической цепи. Они могут быть насыщенными и ненасыщенными. Важнейшие из насыщенных: масляная (4С), капроновая (6С), каприновая (8С), каприловая (10С), лауриновая (12С), мирис-тиновая (14С), пальмитиновая (16С), стеариновая (18С) и арахиновая (20С). Названия их происходят от названий масел (например, капрос – гр. коза), из которых они были выделены. В различных метаболических превращениях могут принимать участие и кар-боновые кислоты с нечетным числом атомов углерода: пропионовая (3С), валериановая (5С), энантовая (7С), пеларгоновая (9С), но в составе жиров их нет.

Широко распространены в составе жиров и в липидах клеточных мембран производные ненасыщенных жирных кислот, содержащих от одной до четырех двойных связей. У двойных связей возможна цис-транс-изомерия и свойства (физические и биохимичес-кие) кислот и их производных определяются геометрией этих связей. Так, например, растворимость стеариновой кислоты в холодном спирте составляет всего лишь 2,5 %, тогда как олеиновая кислота (в составе оливкового масла ее 82 %), линолевая кислота и линоленовая кислота (из льняного масла)

смешиваются с холодным спиртом в любом соотношении.

Обычно двойные связи природных ненасыщенных кислот имеют цис-конфигурацию. При нагревании и при получении маргарина остатки этих кислот в составе раститель-ных жиров частично изомеризуются (гидрирование-дегидрирование) в транс-изомеры (олеиновая кислота в элаидиновую), которые очень вредны для здоровья.

Но есть жиры и с ненасыщенными кислотами с сопряженными двойными связями, например в состав тунгового масла входит элеостеариновая кислота

Эфиры полиненасыщенных жирных кислот очень легко окисляются кислородом воз-духа с образованием пероксидов и гидропероксидов (прогоркание масел). Особенно легко этот процесс идет на свету, когда возможна и радикальная полимеризация (про-зрачная тара для растительных масел!). Все жирные кислоты вступают в обычные для карбоновых кислот реакции, образуя амиды, эфиры, они восстанавливаются до спир-тов. Ненасыщенные кислоты озонируются, что позволяет установить их строение. При окислении олеиновой кислоты перманганатом в мягких условиях образуется диокси-стеариновая кислота, разлагающаяся при нагревании с КОН на пеларгоновый альдегид и дикарбоновую(9С) азелаиновую кислоту:

Очень важна для построения мембран и для биосинтеза простагландинов, проста-циклинов и тромбоксанов (эти вещества выполняют в организме регуляторные функ-ции) арахидоновая кислота – С₂₀-кислота с четырьмя двойными связями:

Арахидоновая кислота представляет собой обязательную компоненту клеточных мем-бран, но возможности ее биосинтеза в организме человека ограничены. В большом ко-личестве полиненасыщенные жирные кислоты, в том числе и арахидоновая, содержатся в жире планктона холодных морей, из которого они попадают в криль и в жир холодно-водных рыб (лосось, треска). Обилие двойных связей делает арахидоновую кислоту очень чувствительной к окислению, но будучи включенной в плазматические мембра-ны в составе липидов со сложноэфирными связями она защищена от окисления гидро-фобным окружением. При нарушении целостности мембран липиды уже могут подвер-гаться ферментативному гидролизу, а выделяющаяся при этом свободная арахидоновая кислота окисляется кислородом при катализе ферментом циклооксигеназой с образова-нием пероксидного производного, которое далее превращается в простагландины, простациклины и тромбоксаны (их часто называют простаноидами), которые запус-кают целый ряд физиологических процессов, связанных с реакцией на вызвавшее раз-рушение клеток повреждение:

Простагландины (впервые выделены из предстательной железы) и простациклины являются биологическим регуляторами с многочисленными и разнообразными функ-циями, в частности, они принимают участие в воспалительном процессе и усиливают болевой сигнал, а тромбоксаны стимулируют агрегацию тромбоцитов. Это является биологическим ответом на повреждение клетки, в результате которого произошло высвобождение арахидоновой кислоты из липидов мембраны.

Интересно, что эндогенным каннабиноидом, то есть веществом, действие которого имитирует активное вещество марихуаны и гашиша тетрагидроканнабинол, является амид арахидоновой кислоты и этаноламина или анандамид (ананд на санскрите – бла-женство), выполняющий в организме определенные медиаторные функции. А в цент-ральной нервной системе обнаружен аналог анадамида 2-арахидонилглицерин. Его со-держание в нервной ткани в 170 раз превышает содержание анандамида. Заметные ко-личества анандамида обнаружены в шоколаде. Сейчас синтез агонистов и антагонистов анадамида является одной из приоритетных областей химической фармакологии.

Состав жиров по кислотам сильно различается не только по происхождению из разных организмов, но и по локализации в одном организме. Так, например, в жире молока много короткоцепочечных жирных кислот (9 % С4, 3 % С6, 2 % С8, 4 % С10, 3 % С12). Эти жиры являются очень ценными в пищевом отношении, значительно превосходя по многим показателям жир из отложений в мышечных тканях. В жире мяса крупного рогатого скота среднецепочечных жирных кислот нет совсем, но много трудно усво-яемой стеариновой кислоты. Жир печени богаче ненасыщенными жирными кислотами чем жир подкожных тканей. Много ненасыщенных жирных кислот в растительных мас-лах, в жире свиней. При гидролизе триацилглицеридов в присутствии щелочей образу-ются глицерин и соли жирных кислот (омыление). В организме этот процесс катализи-руется ферментами – липазами.